Theoretische Chemie
Die theoretische Chemie verknüpft die Kernwissenschaften Chemie, Physik und Mathematik mit wichtigen Brücken in die Biologie und Informatik. Sie beschreibt Stoffeigenschaften und chemische Prozesse ausgehend von den fundamentalen Naturgesetzen. Hierbei ist die Quantenmechanik eine unverzichtbare Grundlage für das Verständnis von Struktur, Reaktivität, Dynamik und weiteren chemischen Eigenschaften. Die quantenmechanische Behandlung chemischer Probleme wird häufig auch als Quantenchemie bezeichnet.
Kombiniert mit Methoden der Statistischen Physik eröffnet sich das Gebiet molekulardynamischer Simulationen. Werden quantenchemische Verfahren direkt zur Berechnung von Kräften zwischen Atomen verwendet (auch ab-initio-Moleküldynamik genannt), erlauben derartige Simulationen einen direkten Zugang zur Dynamik und Thermodynamik komplexer Prozesse. Bei der Untersuchung sehr großer Moleküle, beispielsweise aus der Biochemie, Polymerchemie oder Materialchemie, werden die quantenchemischen Methoden oft durch vereinfachte Modelle, sogenannte molekularmechanische Kraftfelder, ergänzt oder ersetzt, deren Entwicklung bzw. Parametrisierung wiederum selbst häufig mittels quantenchemischer Methoden durchgeführt wird. Dies erlaubt eine effiziente Simulation von Materialien und komplexen Systemen in Lösung.
Das breite Methodenrepertoire der theoretischen Chemie steht in zahlreichen Computerprogrammen zur Verfügung und ermöglicht durch immer leistungsfähigere Methoden sowie stetig wachsende Computerressourcen hochkomplexe Simulationen in Industrie und Wissenschaft. Auf diese Weise können heutzutage komplexe chemische Vorgänge in Labor, Reaktor und Natur nicht nur atomistisch/molekular verstanden, sondern auch quantitativ vorhergesagt werden.
Die Bedeutung der theoretischen Chemie hat aufgrund der rasanten Entwicklungen über die letzten Jahrzehnte stark zugenommen, da nicht nur die Berechnungsmethoden immer besser, sondern auch die Computer für die sehr aufwändigen Berechnungen immer schneller wurden und auch weiterhin werden.
Somit ist die theoretische Chemie zu einem unverzichtbaren Partner bei der experimentellen Forschung in der Chemie und weit darüber hinaus geworden. So können beispielsweise nicht nur Moleküle aufgrund ihrer Spektren (quasi anhand ihres Fingerabdruckes) identifiziert werden, sondern auch das Design neuer pharmazeutisch-aktiver Wirkstoffe oder neuer Materialien am Computer wird ermöglicht.
Die theoretische Chemie verknüpft die Kernwissenschaften Chemie, Physik und Mathematik mit wichtigen Brücken in die Biologie und Informatik. Sie beschreibt Stoffeigenschaften und chemische Prozesse ausgehend von den fundamentalen Naturgesetzen. Hierbei ist die Quantenmechanik eine unverzichtbare Grundlage für das Verständnis von Struktur, Reaktivität, Dynamik und weiteren chemischen Eigenschaften. Die quantenmechanische Behandlung chemischer Probleme wird häufig auch als Quantenchemie bezeichnet.
Kombiniert mit Methoden der Statistischen Physik eröffnet sich das Gebiet molekulardynamischer Simulationen. Werden quantenchemische Verfahren direkt zur Berechnung von Kräften zwischen Atomen verwendet (auch ab-initio-Moleküldynamik genannt), erlauben derartige Simulationen einen direkten Zugang zur Dynamik und Thermodynamik komplexer Prozesse. Bei der Untersuchung sehr großer Moleküle, beispielsweise aus der Biochemie, Polymerchemie oder Materialchemie, werden die quantenchemischen Methoden oft durch vereinfachte Modelle, sogenannte molekularmechanische Kraftfelder, ergänzt oder ersetzt, deren Entwicklung bzw. Parametrisierung wiederum selbst häufig mittels quantenchemischer Methoden durchgeführt wird. Dies erlaubt eine effiziente Simulation von Materialien und komplexen Systemen in Lösung.
Das breite Methodenrepertoire der theoretischen Chemie steht in zahlreichen Computerprogrammen zur Verfügung und ermöglicht durch immer leistungsfähigere Methoden sowie stetig wachsende Computerressourcen hochkomplexe Simulationen in Industrie und Wissenschaft. Auf diese Weise können heutzutage komplexe chemische Vorgänge in Labor, Reaktor und Natur nicht nur atomistisch/molekular verstanden, sondern auch quantitativ vorhergesagt werden.
Die Bedeutung der theoretischen Chemie hat aufgrund der rasanten Entwicklungen über die letzten Jahrzehnte stark zugenommen, da nicht nur die Berechnungsmethoden immer besser, sondern auch die Computer für die sehr aufwändigen Berechnungen immer schneller wurden und auch weiterhin werden.
Somit ist die theoretische Chemie zu einem unverzichtbaren Partner bei der experimentellen Forschung in der Chemie und weit darüber hinaus geworden. So können beispielsweise nicht nur Moleküle aufgrund ihrer Spektren (quasi anhand ihres Fingerabdruckes) identifiziert werden, sondern auch das Design neuer pharmazeutisch-aktiver Wirkstoffe oder neuer Materialien am Computer wird ermöglicht.
Die Grundlagen der Quantenmechanik gehören zum Standardprogramm jedes Bachelorstudiums der Chemie. An vielen Universitäten sind Vorlesungen und Praktika in theoretischer Chemie entweder Pflicht oder sie werden mindestens als Wahlfach angeboten. Im Rahmen des Masterstudiums wird die theoretische Chemie zumeist optional vertieft. Fachübergreifende Veranstaltungen aus der Mathematik, Physik und Informatik können hier eine sinnvolle Ergänzung darstellen.
Ähnlich den experimentellen Laborpraktika als zentralem Baustein der chemischen Ausbildung werden in der theoretischen Chemie häufig Computerpraktika angeboten, die Grundkenntnisse der Methodik, der Programmierung sowie der Anwendung entsprechender Programmpakete vermitteln. Letzteres wird auch als „Computerchemie“ oder gängiger als „Computational Chemistry“ bezeichnet.
Dabei werden Simulationen auf dem Computer durchgeführt, die Einblicke in chemische Eigenschaften und Prozesse erlauben. Solche Computermethoden werden nicht nur immer stärker in der akademischen Forschung, sondern auch zunehmend in der chemischen und pharmazeutischen Industrie angewandt, oft in Kombination mit Verfahren der Chemieinformatik und des maschinellen Lernens. Die praktischen Anwendungen der Methoden der theoretischen Chemie verdeutlichen hier das immer wichtiger werdende enge Zusammenspiel von Theorie und Experiment zur Beschreibung und Vorhersage chemischer Vorgänge.
Theoretische Chemikerinnen und Chemiker arbeiten sowohl an Universitäten, Forschungseinrichtungen wie beispielsweise Max-Planck-Instituten, in der chemischen und pharmazeutischen Industrie als auch in IT-Firmen, Rechenzentren und im Finanzbereich. Durch die Breite des Gebiets der theoretischen Chemie sind Absolvierende Allrounder mit typischerweise ausgeprägt analytisch-logischem Denkvermögen, die ebenso weit jenseits des engeren Fachgebietes vielfältige Berufsperspektiven finden. Häufig ist auch ihre Kompetenz im Programmieren und in der Datenanalyse gefragt.
An Universitäten und Forschungsinstituten liegt der Schwerpunkt sowohl auf der Grundlagenforschung als auch in einer direkten Verbindung zu experimentellen Studien.
In der chemischen Industrie liegt derzeit ein Schwerpunkt auf der Berechnung katalytischer Prozesse sowie der Materialforschung, in der pharmazeutischen Industrie u.a. im Bereich des „Drug-Designs“ und der Proteinmodellierung.
In anderen Industriebereichen sind die häufig hervorragenden Kenntnisse der theoretischen Chemikerinnen und Chemiker in Programmierung und Datenwissenschaften sehr gefragt, mit idealen Voraussetzungen für Tätigkeiten im Software-Bereich und anderen IT-intensiven Branchen einschließlich Anwendungen wie der Messtechnik, Medizintechnik, Logistik oder auch im Versicherungs- und Finanzwesen.
